V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器

宋佳佳，于永吉，金光勇，王超

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

激光技术、原子能、半导体及计算机并称为20世纪的四项重大发明。1960年，美国休斯公司实验室的梅曼用红宝石作为激光工作物质，成功地研制出世界上第一台激光器［1］。此后，激光技术得到飞速发展，泵浦光源从最初的闪光灯发展到现在的半导体激光器，激光工作物质从最初的红宝石拓展到现在的Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：YLF等上千种［2-11］，侧面泵浦到端面泵浦［12，13］，直腔到折叠腔等等［14-16］，都可以明显优化激光转换效率，意味着泵浦光能量能够更加有效的转化成激光能量输出。如2016年，出现了一种新型的谐振腔泵浦方式，即在整个谐振腔内，单程周期促使泵浦光四通泵浦激光增益介质，以此手段来提高激光输出功率，转换效率为18.1%，并将其方法应用到调Q激光器领域上［17］。调Q激光器的发展也是激光器史上的另一种突破［18，19］。2017年，用一系列反射凸柱面镜代替传统一个输出镜位置，构成混合腔，使种子光源单程周期内12通经过激光增益介质，转换效率达到14.3%［20］。这种方法常用在种子激光放大的领域上［21-25］，对于在本振级增大激光输出能量的谐振腔结构，很少有人进行相关的报道。通过实验对比的方式，来突出往返周期内多次通过激光增益介质的优势。

在工作期间中［26］，通过搭建谐振腔往返周期内四次通过Nd：YAG介质的V型折叠LD脉冲侧面泵浦激光器，测试其激光输出特性，与两次通过Nd：YAG介质的直腔激光器相比，实验数据证明了V型折叠腔激光器可以输出低阈值和高输出能量的激光。理论分析了V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器。可表明四次通过Nd：YAG介质的V型折叠腔的谐振腔结构可起到降低激光阈值和提高激光输出能量的目的。

1 实验装置

搭建如图1所示的实验装置结构图，直腔激光器和V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器分别如（a）和（b）所示。激光谐振腔整体是由全反镜、激光增益介质Nd：YAG晶体和输出镜构成。其中LD侧面泵浦Nd：YAG晶体直腔激光器采取的是直径为20mm、曲率为1000的平凹全反镜M1；泵浦源是由西安炬光订制的GS04系列金锡焊接传导叠阵，采用三个bar条组成，bar条间间隔0.43mm，单个bar条最大泵浦功率100W，总共300W；激光晶体为选取掺杂浓度为1.0at%的Nd：YAG作为激光增益介质，其尺寸为φ=4*35mm，使用国科GKD-P350C300A200-20电源对其进行供电；输出镜采用输出镜透过率T=48%和60%的平面镜。激光整体模块结构如图2所示。基于直腔激光器谐振结构，增加了直径为20mm平面全反镜构成V型折叠腔激光器谐振腔结构。在泵浦脉冲宽度为180us，泵浦电流与泵浦能量关系特性如图3所示。用NOVA II激光功率能量计表头PE50-DIF-V2能量探头测量V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器和直腔激光器的激光输出特性，进行对比与分析。

图1 实验装置结构图

图2 激光模块结构图

图3 泵浦能量与泵浦电流关系

2 实验结果

搭建普通直腔激光器和V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器实验平台，1Hz，200μs，直腔和V腔腔长分别为80cm、148cm，测量了输出镜透过率T=48%和60%时，直腔激光器和V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器的激光输出能量。静态下两种谐振腔腔型的激光输出能量与注入能量之间的影响关系，如图4所示。

图4T=48%和T=60%时，静态下输出能量与输入电流之间的关系

从图4中可以明显看出，在相同输出镜透过率条件下，V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器的激光阈值明显低于直腔激光器激光阈值，其阈值差随着输出镜透过率增加而增大。当输出镜透过率为60%时，两种激光器阈值分别为3mJ和18mJ，此时阈值差值为最大值。激光输出能量随着注入能量的增加呈递增的趋势，且V型折叠腔激光器的激光输出能量要高于直腔下的激光输出能量。当输出镜透过率为48%时，注入能量为55mJ时，V型折叠腔和直腔激光器的激光输出能量分别为13.2mJ和7.8mJ。该实验结果可证明，在相同注入能量下，V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器可以降低激光阈值、提高激光输出能量。

由于谐振腔往返周期内能够四次通过激光增益介质，当谐振腔往返过程中增益等于损耗时，激光阈值可表示为：

普通直腔阈值公式如下：

对比公式（1）和（2），可知，当谐振腔内损耗近似一致时，V腔激光器的激光阈值约有两倍的降低。V腔和直腔的激光输出能量表达式如公式（3）和（4）所示：

式中，A为激光增益介质横截面面积，A'为激光光斑横截面面积，l为激光增益介质几何长度，α为激光增益介质的吸收系数，δM为谐振腔内固有损耗，η为转换效率，ES为饱和光强度，Ein为注入能量，R为输出镜反射率。

由公式（3）和（4）对比可知，激光输出能量与斜率效率和激光阈值有关，当激光晶体的吸收损耗很小时，V腔激光器的斜率效率和直腔激光器的斜率效率相差无几，故在一定的注入能量范围内，V腔激光输出能量大于直腔激光输出能量。当注入能量Ein一定，激光晶体的吸收损耗很小时，两种腔型下的激光输出能量之比近似为：

由公式（5）可知，激光输出能量之比与激光阈值比值、振荡光束的横截面面积和激光晶体的横截面面积比值有关系。当谐振腔内的损耗很小时，V腔激光器的激光阈值近似为直腔的一半，当光斑之比为A'/A=0.5时，激光输出能量之比大于1，即V腔激光器的激光输出能量大于直腔激光器，可取得更高输出能量的激光。

整体对比，V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器的谐振腔结构可以起到降低激光阈值、提高激光输出能量和转换效率的作用，此种手段可应用到中小功率或弱泵浦激光器领域上，对于一些难以提取或因热效应影响不能过度增加泵浦能量的激光器，可采用此种谐振腔结构，降低器件损伤，有效的提高能量转换效率。为了更加明确的证明V型折叠腔的优势所在，故将直腔激光器的腔长选的较长，下一步将会优化折叠腔腔长。

3 结论

搭建谐振腔往返周期内四次通过Nd：YAG介质的V型折叠LD脉冲侧面泵浦激光器和两次通过Nd：YAG介质的直腔激光器的实验平台，测试并对比分析了其激光输出特性。实验结果表明，在注入电流55mJ，输出镜透过率为48%时，V型折叠腔和直腔输出能量分别为13.2mJ和7.8mJ，整体转化效率提高10%。理论建立了V型折叠双通Nd：YAG介质LD脉冲侧面泵浦激光器的激光阈值公式和激光输出能量表达式。实验结果和理论分析都表明了四次通过Nd：YAG介质V型折叠腔的谐振腔结构可以起到降低激光阈值和提高激光输出能量的目的。可将其谐振腔结构应用在中小功率泵浦的激光器方面，具有一定的研究意义。

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